en astronaut vaknar upp i ett rymdskepp, utan minne om hur hon kom dit. Sitter ensam i en stol undrar hon: ”var i universum är jag?”
fartyget har inga fönster. Instrumenten är döda. Den enda ledtråden är stolens tryck mot hennes kropp. Phew, det finns gravitation, tänker hon. Hennes fartyg måste fortfarande vara på jorden.
men då uppstår en andra möjlighet för henne. Fartyget kan accelerera genom rymden och pressa henne in i sätet som en racerbil som tar fart. Inifrån fartyget finns det-skrämmande-inget sätt att berätta.
denna rymdfarares dilemma skulle ha varit bekant för Albert Einstein. Hans allmänna relativitetsteori från 1915 byggde på tanken att gravitation och acceleration inte bara lätt förväxlas utan är en och samma. Denna ekvivalens,” den lyckligaste tanken ” i Einsteins liv, var hans utgångspunkt för att omdefiniera tyngdkraften.
allmän relativitet växte fram ur Einsteins teori om speciell relativitet, som beskriver hur ljusets hastighet (i vakuum) alltid kan vara konstant.
enligt relativitet händer allt som kan hända inuti en låda som tar fart — dvs accelererar — också i närvaro av tyngdkraften. Föreställ dig till exempel en horisontell laser inuti en hiss som accelererar uppåt. När ljuset rör sig i sidled stiger hissen, vilket gör att strålen träffar en plats på väggen något lägre än där den började. Om hissen accelererar tillräckligt snabbt böjer strålen synligt mot golvet.
Einstein visade att samma sak händer med en stråle inuti en stationär Hiss inom ett kraftfullt gravitationsfält; tyngdkraften böjer ljuset. På samma sätt förväntade han sig att en stråle av stjärnljus skulle böjas när han passerade genom solens gravitation. Denna förutsägelse visade sig vara korrekt när stjärnorna rörde sig under solförmörkelsen 1919.
relativitet beskriver varför en klocka på en satellit tickar några dussin mikrosekunder snabbare än en klocka på jorden; utan att redogöra för den skillnaden skulle GPS-tekniken inte fungera.
För att länka acceleration och gravitation på detta sätt störtade Einstein en av sina egna hjältar: Isaac Newton. Du kanske har lärt dig att Newton beskrev tyngdkraften som en kraft, ett osynligt gummiband som drar ihop föremål med massa. Newtons matematik gjorde ett bra jobb för att förutsäga hur allt från projektiler till planeter rörde sig — men det höll tyngdkraften åtskild från acceleration.
Einstein hävdade att tyngdkraften inte alls är en kraft. Han beskrev det som en krökning av tid och rum orsakad av massa och energi. Förvirrad? Den tyska fysikern var också, och han kämpade med teorin i nästan ett decennium. Han fick hjälp av matematikern Marcel Grossmann, en gammal vän som delade sina anteckningar när en ung Einstein hoppade över klassen.
deras matematik, fastställd i 10 ekvationer, förklarade hur tyngdkraften kunde röra sig runt objekt via en förvrängd verklighet, accelererande utan att någonsin känna några mystiska newtonska krafter.
de relativa grunderna
de viktigaste takeawaysna bakom Einsteins allmänna relativitetsteori:
1. Tid och rum är varken plana eller fasta; de är böjda och förvrängda av massa och energi.
2. Gravity är inte en kraft, utan snarare en snedvridning av tid och rum.
3. Effekterna av tyngdkraften är oskiljbara från effekterna av acceleration, över ett litet utrymme.
Einsteins speciella förutsägelser
relativitet gör många bisarra förutsägelser, många av dem experimentellt verifierade. De verkar bara bisarra eftersom vi inte märker dem i våra dagliga liv — vi lever för det mesta i Newtons verklighet. Men bortom det ligger Einsteins universum, där tyngdkraften böjer rum och tid till sin vilja. Här är några av teorins konstigaste biverkningar:
-
gravitation saktar bokstavligen ner tiden. Vågor av ljus som emitteras av stjärnor sträcker sig ut på grund av denna tidböjning, och föremål närmare ett massivt objekt åldras långsammare. Super-exakta klockor, som kryssar enligt atomernas Vibrationer, har verifierat att tyngdkraften förändrar tidens flöde.
-
satelliter har visat att roterande himmelska kroppar vrider kosmos tyg runt sig själva, som honung vrids av en sked, vilket påverkar gyroskopens rörelse.
-
en förutsägelse löste ett långvarigt dilemma, en konstig wobble i Mercury ’ s orbit som Newtons matte inte kunde redogöra för. (Astronomer hade ursprungligen skyllt på en dold planet som heter Vulcan.) Relativitet förklarade wonky bana i termer av skevhet av rymden av solens kraftfulla gravitation.
-
små krusningar i verkligheten, orsakade av kolliderande svarta hål, har utlöst sensorer i mycket känsliga instrument begravda under jord på jorden.
denna berättelse uppträdde ursprungligen i tryck som ” det är allt relativt.”